Der Durchbruch bei der Kernfusionsenergie, erklärt

Einige der reichsten Investoren der Welt haben sich in Startups zusammengeschlossen, die sich einer der größten und schwierigsten Herausforderungen der Wissenschaft widmen: der Kernfusion. Fusion gilt seit langem als der ultimative Preis auf der Suche nach sauberer und reichlich vorhandener Energie und ist der Prozess, der die Sonne antreibt, bei dem eine vernichtende Gravitationskraft Atome zusammenschmettert und ihre Energie freisetzt. Ende 2022 feierten Forscher einen lang ersehnten wissenschaftlichen Meilenstein, ein Zeichen des Fortschritts in einem Bereich voller lästiger technologischer Herausforderungen und Skepsis hinsichtlich der kurzfristigen Aussichten.

1. Was war der Meilenstein?

Im Dezember 2022 richteten Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien den leistungsstärksten Laser der Welt auf eine mit Wasserstoff gefüllte pfefferkorngroße Diamantkapsel. Die Strahlen lieferten 2,05 Megajoule Energie und lösten eine Reaktion aus, die den Wasserstoff zu Helium verschmolz und 3,15 Megajoule freisetzte. Der Unterschied, etwas mehr als ein Megajoule, entspricht in etwa der Energiemenge, die eine Handgranate freisetzt. Das Ergebnis, bekannt als „Zündung“ oder Nettoenergiegewinn (d. h. mehr Energie raus als rein), war eine Errungenschaft, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten anstrebten. Es deutete darauf hin, dass die Kernphysik der kontrollierten Fusion geknackt worden sei und die Möglichkeit eines Prozesses zur Erzeugung von billigem, kohlenstofffreiem Strom geschaffen worden sei. Nach mehreren erfolglosen Versuchen konnte dasselbe Labor den Erfolg im Juli wiederholen.

2. Wie nah ist die kommerzielle Fusion?

Auch wenn die USA und andere Regierungen mutige Visionen und verschiedene Technologien vorantreiben, sagen die optimistischsten Experten, dass wir noch etwa ein Jahrzehnt davon entfernt sind, dass das erste Fusionskraftwerk Strom ins Netz einspeist. Die meisten gehen davon aus, dass die Zukunft in 20 oder 30 Jahren liegen wird. Als die Wissenschaft in den letzten Jahren Fortschritte machte, begann die Fusion eine neue Klasse von Investoren anzuziehen, und immer mehr private Unternehmen stiegen in das Rennen ein. Die Investitionen stiegen von etwa 300 Millionen US-Dollar im Jahr 2020 auf 2,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021. Im Jahr 2022 sanken sie auf 521 Millionen US-Dollar.

3. Welche Technologien gibt es?

Die Fusionsforschung hat von Fortschritten im Supercomputing, im 3D-Druck und bei supraleitenden Magneten profitiert. Es gibt verschiedene Ansätze:

• Trägheitseinschluss: Der Meilenstein im Dezember hat bewiesen, dass diese Methode – das Schießen von Lasern auf wasserstoffgefüllte Pellets – funktionieren kann. Die Reaktion war jedoch außergewöhnlich kurz und nicht die Art kontinuierlicher Prozess, den Kraftwerke normalerweise verwenden. Und zumindest im Moment ist die Herstellung dieser Pellets teuer und zeitaufwändig.

• Magnetischer Einschluss: Die weiter verbreitete Methode verwendet starke Magnetfelder, um Plasma, ein elektrisch geladenes überhitztes Gas, einzuschließen, damit es eine Fusionsreaktion aufrechterhalten kann. Dafür sind Temperaturen im Bereich von 150 Millionen C (270 Millionen F) erforderlich, die viel heißer sind als die Sonne. Die meisten Bemühungen nutzen ein Design aus der Sowjetzeit, den sogenannten Tokamak, der über eine unterkühlte, donutförmige Kammer zur Aufnahme des Plasmas verfügt, oder eine Variante, die als Stellarator bekannt ist.

• Andere Alternativen: Startups verfolgen Hybridtechnologien oder eigene, einzigartige Ideen. Eines der am besten finanzierten Unternehmen, das kalifornische Unternehmen TAE Technologies, nutzt Beschleuniger, um Plasma mit hochenergetischen Partikeln zu durchfluten, was die Handhabung erleichtert.

4. Was sind die Hürden?

Bei der Fusion entstehen keine hochradioaktiven Atomabfälle wie bei der Kernspaltung, der atomspaltenden alternativen Form der Atomenergie, die seit den 1950er Jahren in kommerziellen Reaktoren eingesetzt wird und die ursprünglichen Atombomben antreibt. Dennoch muss die Fusionsforschung technische Herausforderungen meistern, etwa die Frage, wie Materialien entwickelt werden können, die dem Beschuss atomarer Teilchen in einer Maschine standhalten. Es ist auch nicht klar, wie die erzeugte Energie genutzt und in Strom umgewandelt werden soll.

5. Wer sind die Spieler?

Es gibt drei verschiedene Gruppen: nationale Initiativen, eine Gruppe von fast drei Dutzend privaten Startups und den 35 Nationen umfassenden International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), der 25 Milliarden US-Dollar kostet. Die internationale Zusammenarbeit – das größte Forschungsprojekt der Geschichte – arbeitet seit 2010 an einer gigantischen Demonstrationsmaschine in Frankreich. Es ist ein Projekt in der Größenordnung des Wettlaufs ins All, als die USA und die ehemalige Sowjetunion um den Bau riesiger Raketen konkurrierten. Zu den prominentesten Unterstützern von Startups zählen Amazon-Gründer Jeff Bezos, Microsoft-Gründer Bill Gates und Palantirs Peter Thiel. Es besteht die Ansicht, dass der Vorstoß zur Kernfusion zu wissenschaftlichen Fortschritten führen wird, auch wenn es Jahrzehnte dauern wird, bis sich die Kerntechnologie durchsetzt.

6. Was würde einen Fortschritt signalisieren?

Magnetische Einschlussprojekte haben noch keinen Nettoenergiegewinn nachgewiesen, und der Tokamak von ITER wird frühestens 2025 seinen Betrieb aufnehmen. Commonwealth Fusion Systems plant, im Jahr 2025 eine eigene Maschine in Massachusetts in Betrieb zu nehmen.

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